城市軌道交通車輛運行平穩性測試方法與評價*

李 朋 張勝龍 羅 鵬 楊立偉 王文斌 劉 暢

(1.北京城市快軌建設管理有限公司, 100027, 北京; 2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京;3.天津智能軌道交通研究院有限公司, 301700, 天津∥第一作者, 高級工程師)

1 城市軌道交通輪軌力測量方法

列車輪對和軌道滾動接觸所產生的輪軌關系是城市軌道交通最重要的研究對象之一。輪軌力是輪軌關系的基礎,輪軌力的正常與否關系到車輛行駛的安全性。異常的輪軌力不僅會造成軌道變形和磨損,極端條件下可能還會造成車輛失穩引起車輛脫軌或傾覆[1]。車輛動力學響應的評價指標主要包括平穩性、脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力,其中脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力等指標均需要通過輪軌力計算得到。

輪軌關系中的力學問題極為復雜,輪軌型式的軌道交通列車運行均依靠輪軌之間的接觸實現。輪軌間的作用力在空間上可分為輪軌垂向力、橫向力及縱向力。其中:輪軌垂向力主要由靜態自重和輪軌間動態的沖擊力組成,靜態自重基本維持不變,輪軌間動態的沖擊力隨線路狀態變化產生的沖擊變化而改變[2];輪軌橫向力和垂向力影響著列車的脫軌可能性和輪對疲勞度,還影響著軌道的變形和磨損[3]。因此,對于車輛運行安全性的研究重點主要圍繞輪軌垂向力和橫向力展開。

采用測力輪對測量輪軌力的直接方法主要包括軸測法和輪測法兩種方式:軸測法是通過將應變片粘貼在車軸的某個特定位置上來測量動態應變以得到輪軌力,而輪測法是通過將應變片粘貼在車輪的輻條或輻板上來測量某個特定部位變形以得到輪軌力。目前國外典型輪軌力的測量方法[4-6]見表1。

表1 國外典型輪軌力的測量方法

軸測法因其測量點所在位置距被測試點(輪軌接觸點)較遠,需對其進行轉化處理才能變為需要的信息[4];輪測法因其測量點所在位置距被測試點(輪軌接觸點)更近,雖較軸測法制作復雜,但其精度更高,測量結果更準確[5-6]。就現階段而言,輪測法是所有測量輪軌力方法中最直接、準確的方法。

2 車輛運行平穩性測試方法與評價

2.1 車輛運行穩定性測試方法

在車輛動力學響應-運行穩定性測試中,采用輪測法對車輛運行安全性特征參數進行測試。測力輪對的原始輪對采用與車輛同型號的曲輻板輪對,測力橋路采用GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》中的離散橋。在第1節車廂的1軸安裝測力輪對,測力輪對的兩側軸向端部分別安裝滑環式集流裝置,通過該裝置將輪軌力信號引至車內數據采集單元;在第1節車廂的3軸上安裝速度傳感器獲取車輛速度信號。測力輪對及速度傳感器安裝位置如圖1所示。

注:為測力輪對;為裝有速度傳感器的輪對。

根據測得的輪軌垂向力和橫向力數據,依據交辦運[2019]17號《城市軌道交通初期運營前安全評估技術規范第1部分:地鐵和輕軌》(以下簡為“交辦運[2019]17號文”)車輛動力學響應-運行穩定性測試,對脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力等安全性特征參數進行評判。交辦運[2019]17號文中相關安全性特征參數的評判標準見表2。

表2 交辦運[2019]17號文中相關安全性特征參數的評判標準

2.2 車輛運行平穩性評價

車輛動力學響應-平穩性測試參照GB/T 5599—2019的相關要求,采用振動加速度傳感器,將其布置于第1節車廂1、2位轉向架中心偏向車體一側1 000 mm 的車內地板上。

車輛運行平穩性評價依據交辦運[2019]17號文的有關規定進行。車輛運行平穩性指標W見式(1),該指標應小于2.5。

(1)

式中:

A——振動加速度,單位g;

f——振動頻率,單位Hz;

F(f)——頻率修正系數,見表3。

表3 頻率修正系數

3 車輛運行平穩性測試結果分析

本次測試選取北京某地鐵線路的三期工程,測試段線路均為地下線,設計速度為80 km/h。測試時間為2021年11月20日,處于該段線路正式開通運營之前。測試列車為6輛編組的3動3拖B1型車輛,實際靜軸重約45 kN,采用ATO(列車自動運行)模式。

將與測試列車車輛同型號的原始曲輻板輪對改裝為測力輪對,并對測試列車進行運行平穩性測試。車輛輪軌垂向力、橫向力隨里程變化曲線如圖2—圖3所示。由圖2—圖3可見:

注:代表曲線段,代表直線段,圖3—圖7同。

圖3 車輛輪軌橫向力隨里程變化曲線

1) 在直線段車輛加、減速過程中車輛輪軌垂向力和橫向力均無明顯變化,其中輪軌垂向力基本上保持在42.5～50.0 kN范圍內,兩側輪軌垂向力平均值基本保持在46.5 kN左右,這與車輛靜軸重為45.0 kN時接近,輪軌橫向力基本保持在6.0 kN以下,說明直線段列車運行速度對輪軌力影響較小。

2) 當列車運行經過曲線段時,輪軌垂向力變化較為明顯;曲線內、外兩側輪軌垂向力變化規律基本相反,且均具有先驟變而后略微回落保持穩定的特征。其中:曲線外側輪軌垂向力逐漸上升,最大值約為60.0 kN;曲線內側輪軌垂向力明顯降低,最小值約為37.5 kN;曲線內、外兩側輪軌垂向力最值均處于進入曲線的初始區域;曲線兩側輪軌垂向力平均值在經過曲線段時無明顯變化,仍處于車輛靜軸重45.0 kN附近。

3) 當列車運行經過曲線段時,輪軌橫向力變化明顯;曲線內外兩側輪軌橫向力明顯上升且變化規律基本一致,均具有先驟變而后保持穩定的特征。其中:曲線外側輪軌橫向力最大,約為30 kN;而曲線內側輪軌橫向力略低于外側,其最大值約為20 kN;曲線內、外兩側輪軌橫向力最值均處于進入曲線的最大超高區域。

圖4—圖6為車輛脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力隨里程變化曲線。由圖4—圖6可見:

圖4 車輛脫軌系數隨里程變化曲線

圖5 車輛輪重減載率隨里程變化曲線

圖6 車輛輪軸橫向力隨里程變化曲線

1) 直線段列車加、減速過程中脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力均未明顯變化,脫軌系數保持在0.1以內,輪重減載率保持在0.15以下,輪軸橫向力保持在3 kN以內。這說明直線段列車運行速度對脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力影響較小,即列車在設計速度內運行對其安全性特征參數無明顯影響。

2) 列車運行經過曲線段時,兩側車輪脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力均明顯上升;曲線內、外兩側車輛脫軌系數大小及其變化規律基本一致,且具有先驟變而后保持穩定的特征,車輛最大脫軌系數達到0.55左右,且均位于進入曲線段的最大超高區域。車輛輪重減載率和輪軸橫向力具有先驟變而后在一定范圍內波動的特征,且波動范圍均較大,其中輪重減載率波動到達了0.15左右,輪軸橫向力波動到達了8.0 kN左右。曲線段內車輛輪重減載率最高達到0.45,且在進入曲線的初始區域到達。輪軸橫向力最高可達到13.5 kN,且無明顯區域特征。由此可見,列車在整個行駛過程中脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力等安全性特征參數均保持在規范要求范圍內。

圖7為列車運行過程中W隨里程變化曲線。由圖7可見:在直線段列車加、減速過程中W存在明顯變化,隨著列車運行速度的提升,W會迅速增大,這說明直線段列車運行速度對平穩性影響較大。

圖7 W隨里程變化曲線

列車運行經過部分曲線段時,其運行速度并非穩定,但在K30+000—K31+000范圍內速度基本穩定,且在經過曲線線路的過程中存在進出曲線段平穩性指標驟變的現象。列車在K31+500—K32+800范圍內速度基本穩定,且其由曲線段進入直線段的過程中平穩性指標存在驟變現象。由此可見,列車在整個行駛過程中平穩性指標均保持在規范要求范圍內。

4 結語

1) 車輛運行安全性特征參數與線路的線型關系較大。列車通過直線段時,其安全性特征參數與速度關系不大,其數值較小且較為穩定;列車通過曲線段時,其安全性特征參數均會增大,且其最大值出現在列車出入曲線段附近。

2) 車輛運行平穩性指標與速度關系較大,隨著速度逐漸上升,車輛平穩性指標增加。在速度基本穩定的前提下,車輛運行平穩性指標與線型也有一定關系,且在列車進出曲線段時會有些許突變。

3) 在北京某地鐵線路三期工程測得的脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力等車輛運行安全性特征參數,以及車輛運行平穩性指標等車輛動力學整體性能均滿足規范要求。